（航空宇航制造工程专业论文）基于倍福光导总线的bo包装机控制系统的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 烟草行业在中国是一个很大的行业，每年都可以为政府创造大量的税收和就 业机会。德国斯幕门公司生产的 bo 包装机在我国有一定数量的烟厂在使用。该 产品具有高效、高速、准确的优点。可以保证产品质量，降低劳动强度，改善工 作环境。它的使用可以大大提高生产线的自动化程度，拥有广阔的前景。目前， 该设备机械系统完好，但电气系统故障率偏高，备件供应存在问题，所以需要对 其电控系统进行新的研究设计。 本文通过对现场总线、嵌入式计算机系统、电机拖动等关键技术的研究，结 合 bo 包装机的生产工艺特点，阐述了整个 bo 包装机的电气系统设计过程。其中 主要研究了包装机的 bo 部分、rc 部分和 fhz/nk 部分的电气设计和软件设计。 方案采用倍福公司的 cx1000 型嵌入式控制器作为主控制器，控制整个包装机系 统的生产过程；采用倍福公司的 lightbus 总线技术进行控制器与底层设备之间 的数据传输和交换； 采用能与 cx1000 联机工作的日本 proface 公司 gp2600 工业 触摸屏作为人机交互界面。 软件方面， 在 cx1000 内嵌的操作系统中利用 twincat 系统软件直接对 cx1000 进行编程，控制整个系统的运行。 新的控制系统在现场长时间的稳定运行结果也表明：系统整个设计方案具有 先进性，功能完善，同时具有良好的可维护性。 关键词：bo 包装机，现场总线，嵌入式系统，控制器，twincat 南京航空航天大学硕士学位论文 ii abstract the tobacco profession is a very big profession in china. it may create the massive tax revenues and the employment opportunity for the government every year. the bo packaging machine produced by germany schmermund company has been used by certain quantity tobacco factory in our country. it has the high-speed, efficient, precise character. its usage has greatly enhanced the degree of automation of product line, debased the labor intensity, and improved the work environment. therefore, this system has the broad application prospect. at present, its mechanical system is good, but the electrical system failure rate is high, and the parts supply exist problem, therefore we should carry on the new research design to its electrically controlled system. in this paper, it describes the whole electrical system design process of bo packaging machine by searching on the key technology such as field bus technology, embeded computer system, motor drive, and so on. it mainly introduces the electrical design and soft design of bo part, rc part, and fhz/nk part of the packaging machine. it selects cx1000 embeded controller of beckhoff company as the main controller to control the whole producing process of the packaging machine. it uses lightbus technology of beckhoff company to transmit and exchange data between controller and equipment. it selects gp2600 industry touch screen of japanese proface corporation, which can work with cx1000 online, as the interactive contact surface. in the software part, we can use twincat system software to program the cx1000 directly to control the system. the new control system which can run stably for long time in the scene show that: the whole system has advanced technology. it has complete function and good maintainability. keywords: bo packaging machine, field bus, embeded system, controller， twincat 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 1.1 bo 包装机系统结构图 .2 图 2.1 两种控制模式的比较图 .7 图 2.2 现场总线控制系统的体系结构 .8 图 3.1 bo 包装机实物图 .16 图 3.2 bo 包装机结构图 .16 图 3.3 bo 电气柜顶部接插件布局 .27 图 3.4 原人机界面示意图 .28 图 3.5 新方案人机界面示意图 .28 图 3.6 检测系统方框图 .30 图 3.7 rc 电气柜顶部接插件布局图 .40 图 4.1 压紧转塔示意图 .53 图 4.2 包装转塔示意图 .54 图 4.3 烘干转塔示意图 .54 图 4.4 出口传送带示意图 .55 图 4.5 烟支检测装置主程序流程图 .58 图 4.6 检测中断子程序流程图 .59 表 1.1 bo 包装机主要电机及控制方式 .2 表 3.1 bo 部分供电回路前后元器件使用状况一览表 .17 表 3.2 原机中 bo 部分直流电源模块状况一览表 .18 表 3.3 新方案系统中 bo 部分直流电源模块状况一览表 .19 表 3.4 bo 部分直流电源部分前后元器使用情况一览表 .19 表 3.5 bo 部分主驱动前后元器件使用情况一览表 .20 表 3.6 bo 部分伺服驱动前后元器件使用情况一览表 .21 表 3.7 小功率调速部分前后元器件使用情况一览表 .22 表 3.8 辅助电机的控制部分设计前后元器件使用情况一览表 .23 表 3.9 bo 部分加热器控制前后元器件使用情况一览表 .24 表 3.10 前后机连锁部分前后元器件使用情况一览表 .25 表 3.11 bo 部分控制前后元器件使用情况一览表 .26 表 3.12 rc 部分供电回路前后元器件使用状况一览表 .36 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅， 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题的提出 烟草行业在中国是一个很大的行业，每年都可以为政府创造大量的税收和就业 机会。烟机是自动化领域中最复杂的机器之一，同时香烟的生产速度又非常快。 例如，软包线的生产速度是 400-500 包/分钟，由于生产速度很快且产品的包装又 非常软，所以，对于包装机的要求是非常高的。德国斯幕门公司出产的 bo 包装 机在我国有一定的用户，其中在江苏徐州卷烟厂承担软包苏烟的包装任务。bo 包 装机是斯幕门公司 90 年代推出的产品，与该公司早期的 be 包装机相比，它的控 制系统具有更高的先进性，其特点如下： 1）控制方式先进 从控制系统的结构上说，bo 机采取了工业计算机+光导总线（lightbus）的架 构，由一台基于欧洲 vme 标准的工业计算机充当主控制器，设备上所有的 i/o 点 仅通过 1 根光纤连接到控制柜中，整个系统的布线显得非常简洁。光导总线 lightbus 是德国倍福（beckhoff）公司推出的一种总线体系，它具有传送速度 快，抗干扰性能好的优点，在欧洲工业制造、楼宇自动化、物流传送等领域均有 着广泛的应用。bo 型包装机系统结构图如图 1.1 所示； 2）完全以交流驱动取代了直流驱动 在 bo 包装机主机中，直流调速已完全被更先进的交流调速技术所取代，主要 的电机及控制方式见表 1.1； 3）人机界面由原来的 led 显示改为了图形界面显示 通过直观形象的机器结构模拟图显示方式，大大方便了故障定位和参数设定。 大屏幕彩色 crt 显示醒目细致，但没有中文显示。 目前，国内使用的该设备大部分机械系统完好，但电气系统故障率偏高，备件 供应存在问题，crt 也已经老化，显示效果受到很大影响已经严重影响该设备的 正常使用。所以需要对其电控系统进行新的研究设计，加以国产化改造，使之成 为有我们自主知识产权的电气控制系统。于是引出了本课题。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 图 1.1 bo 包装机系统结构图 表 1.1 bo 包装机主要电机及控制方式 类型 编号 控制方式 用途 备注 类型 编号 控制方式 用途 备注 m1 ct 变频器 主驱动电机 m10 伦茨变频器 进料传送带 m11 伦茨变频器 摆动电机 m8 伦茨变频器 盒皮胶辊电机 三相交流电机 m9 伦茨变频器 封签胶辊电机 控制方式先进， 所用 的变频器的品牌也 是国内目前常见的， 但型号已显得陈旧 m203 交流伺服 右铝纸盘电机 m204 交流伺服 左铝纸盘电机 m205 交流伺服 出口传送带左电机 交流伺服电机 m206 交流伺服 出口传送带右电机 该品牌的伺服驱动 器和伺服控制卡在 国内没有代理商， 且 型号陈旧 vme 总线 a55 a53 a54a58a57 a60a55 安 装 在 设 备上的 i/o 模块,情况 与 控 制 柜 中 的 模 块 相同 i/o 模块 i/o 模块 i/o 模块 i/o 模块 i/o 模块 i/o 模块 安 装 在 控 制 柜 中 的 i/o 模块, 运行良好， 备 件 采 购 也有保障 光导总线 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1.2 方案总体设计原则 在进行总的方案设计时，其设计原则是要求确保： 1）技术具有先进性； 2）系统工作稳定可靠，功能完善； 3）良好的可维护性； 4）现场施工省时省力。 为了保证系统稳定可靠、功能完整，需要在硬件软件两方面采取措施，硬件方 面选用工控领域知名公司产品，同时对电控柜的布线、接地、屏蔽作周密的安排， 最大限度去除各种电磁干扰。软件方面确保控制逻辑算法的严密，同时安排好各 种出错情况下的处理出口，如重要数据的自动备份与自动恢复，系统突然掉电的 处理，关键程序的容错处理，程序死锁的回避等。 为了实现系统具有良好的可维护性，各种硬件模块选用标准化系列，所选用的 应是具有良好发展前景技术的产品，这样才能够保证将来长远的备件供应。软件 方面由于是自主开发，并最终向用户完全开放，所以维护方面不存在问题，但也 必须注意保证程序代码的可读性和加入必要的注释，保存好各种开发文档资料并 及时规范化入档，确保软件的可维护性。 为了能做到现场施工省时省力，缩短停机时间，减少对生产的影响。需要做好 以下几方面的准备工作： 1）对系统中哪些需要改造替换、那些继续保留进行合理的安排划分，防止盲 目扩大改造范围和遗漏改造项目情况的发生。 2）采用现场总线技术，在减少布线工作量同时也提高连接可靠性。 3）现场施工前准备工作充分到位，软硬件调试彻底，另外用户单位的配合工 作也非常重要，包扩机台生产原料的准备，人员的配备，机械系统提前保养好等 等。 1.3 本课题的主要内容 第一章 绪论 论述了课题研究的意义；在大量查阅国内外文献资料的基础上，对系统设计进 行了综述，并介绍了本文的主要研究内容。 第二章 bo 包装机电气系统设计中的关键技术 介绍系统设计过程中所涉及的关键技术：现场总线技术，嵌入式系统技术，触 摸屏技术。 第三章 系统硬件方案设计 南京航空航天大学硕士学位论文 4 详细阐述了整个系统设计过程中的硬件设计方案。 通过对系统所采用的主要器 件和关键技术的研究，分别对 bo 部分、rc 部分和 fhz/nk 部分的电气系统进行 了详细设计。 第四章 系统软件方案设计 详细阐述了整个系统设计过程中的软件设计方案。介绍了软件的开发环境 twincat，设计了主控制程序的各个主要模块，提出了烟支检测系统的软件设计 方法，以及温度控制算法。并且完成了软件编程。 第五章 总结和展望。 总结了相对于原先整个系统设计的优点：控制方式更加先进，线路更加简洁， 在保证控制系统性能的情况下降低了成本。并对嵌入式系统和现场总线的发展作 出展望。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 第二章 bo 包装机电气系统设计中的关键技术 在 bo 包装机的电气系统设计中，现场总线，主控制器是最关键的部分，它们 决定了整个系统性能的优劣；而输入输出部分作为操作员与机器交互的桥梁，应 当操作简便。下面将对方案中的关键技术进行介绍。 2.1 现场总线技术 2.1.1 现场总线的基本概念 现场总线作为当今自动化领域技术发展的热点之一， 被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产 生前所未有的冲击和影响。 什么是现场总线？有人把现场总线定义为应用在生产现场、 在微机化测量控制 设备之间实现双向串行数字通信的系统；也有人把它称为开放式、数字化、多点 通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工业、楼宇、交通等处的自动化系统中。 现场总线技术将专用微处理器置于传统的测量控制仪表， 使它们各自都具有了 数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它 们分别通过普通双绞线等多种传输介质进行信息传输联络，把多个测量控制仪表、 计算机等作为节点连接成网络系统，把公开、规范的通信协议，在位于生产控制 现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机 之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而 言之，它是把单个分散的测量控制设备变成网络节点，共同完成自控任务的网络 系统与控制系统。它给自动化领域带来了巨大的变化，如同计算机网络和因特网 给单个计算机带来的变化等等。如果说，计算机网络把人类引入到信息时代，那 么现场总线则使自控系统与设备加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的底 层，使企业信息沟通的覆盖范围一职延伸到生产现场。因此把现场总线技术的出 现说成是标志着一个自动化新时代的开端并不为过。 现场总线技术的开发始于 20 世纪 80 年代。 随着微处理器与计算机功能的不断 增强及价格的急剧下降，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，信息沟通联络 的范围不断扩大。而处于企业生产过程底层的测控自动化系统，由于仍在通过开 关、阀门、传感测量仪表间的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控 制，或者只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界 之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛” ，严重制约了其本身的发展。要 实现企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境 南京航空航天大学硕士学位论文 6 中运行的、可靠性高、实时性强、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完 成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间，以及自动化设 备与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。国际 标准化组织、北美、欧洲等许多国家的仪表控制领域，陆续开始着手现场总线的 标准制定与技术开发。由于行业、地域、经济利益等多种原因，本应是统一标准、 开放互连的控制通信网络目前已经在不同领域形成了颇具影响的几大总线系列。 现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产 物。它把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，这 一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容，实现 其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通 信连接的其他网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数百公里之外的电气开 关等。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不 能提供的，如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更 深入的了解生产现场和自控设备的运行状态。由于现场总线强调遵循公开统一的 技术标准，因而有条件实现设备的互操作性和互换性。也就是说，用户可以把不 同厂家、不同品牌的产品集成在同一个系统内，并可在同功能的产品之间进行相 互替换，使用户具有了自控设备选择、集成的主动权。 现场总线可采用多种传输介质传送数字信号，如用普通电缆、双绞线、光导纤 维、红外线，甚至电力传输线等，因而可因地制宜，就地取材，构成控制网络。 一般在由两根普通导线制成的双绞线上，可挂接几十个自控设备，与传统的设备 间一对一的接线方式相比，可节省大量线缆、槽架、连接件，同时，由于所有的 连线都变得简单明了，系统设计、安装、维护的工作量也随之大大减少。另外， 现场总线还支持总线供电，即两根导线在为多个自控设备传送数字信号的同时， 还为这些设备传送工作电源。可以看到，采用现场总线具有诸多好处，可以为企 业节省开支，创造经济效益。 现场总线既是通信网络，又是自控系统。它作为通信网络，不同于日常用于声 音、图像、文字传送的网络，它所传送的是接通、关断电源或开关阀门的指令与 数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安全，要求信号在有粉 尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确、及时的传送，同时还具有节 点分散、报文简短等特征，它作为自动化系统，在系统结构上发生了较大的变化， 其显著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个节点、也可由多个网络节点共 同完成所要求的自动化功能，是一种由网络集成的自动化系统。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，它 一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。该项技术 南京航空航天大学硕士学位论文 7 的开发，可带动整个工业控制、楼宇自动化、仪表制造、工业控制和计算机软硬 件等行业的技术、产品的更新换代。它的出现为我国自动化仪表行业和自动控制 领域提供了良好的机遇，也提出了严峻的挑战。 2.1.2 现场总线控制系统 继气动信号控制系统 pcs、420ma 等点动模拟信号控制系统、数字计算机 集中式控制系统和集散式分布控制系统 dcs 之后，现场总线控制系统被誉为第五 代控制系统。它采用了基于公开化、标准化的开放式解决方案，实现了真正的全 分布式结构，将控制功能下放到现场，使控制系统更加趋向于分布化、扁平化、 网络化、集成化和智能化。图 2.1 是两种控制模式的比较。 集中控制模式 网络控制模式 图 2.1 两种控制模式的比较图 现场总线的产生和发展， 使一个企业的现场级控制网络可以更方便有效的与办 公信息网络通信，二者的集成对企业信息基础设施的改进具有重大意义。可以说， 现场总线从开始出现时就是为了融入到实际上已通行的 tcp/ip 信息网络中，并与 其有效的集成到一起，为企业提供一个强有力的控制与通信基础设施。 2.1.3 现场总线控制系统的体系结构 现场总线控制系统的体系结构如图 2.2 所示。 与传统的集散控制系统相比，现场总线控制系统有两个新特征： 1）现场总线控制系统是将传统集散控制系统中的数据公路、控制器、i/o 卡以 及模拟信号传输线四部分用统一标准的现场总线来替代，减少了层次传递，使控 制系统的结构更趋于扁平化。 南京航空航天大学硕士学位论文 8 2）现场总线控制系统用智能现场仪表替代传统集散系统中的模拟现场仪表， 其智能体现在：变送器不仅仅具有信号变换、补偿、累加功能，而且具有诸如 pid 等运算控制功能；执行器不仅具有驱动和调节功能，而且具有特性补偿、自校验、 自诊断功能。 图 2.2 现场总线控制系统的体系结构 2.1.4 现场总线控制系统的技术特点 现场总线控制系统在技术上具有以下特点： 1）系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可互 联为系统并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网 络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共 识和遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设 备或系统连接。一个具有总线功能的现场总线网络，系统必须是开放的，开放系 统把系统集成的权力交给了用户。用户可按自己的考虑和需要把来自不同供应商 的产品组成大小随意的系统。现场总线就是自动化领域的开放互联系统。当今， 位于企业基层的测控系统，仍处于像 20 世纪 70 年代计算机网络系统那样的封闭 状态，严重制约了其本身的发展，从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标 准，从根本上打破现有各自封闭的 dcs 体系结构，组成开放因特网络。正是这种 需求促成了现场总线的诞生和发展。 2）互可操作性和互用性。这里的互可操作性，是指实现互联设备间、系统间 南京航空航天大学硕士学位论文 9 的信息传送与沟通；而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可以进 行更换而实现相互替换。 3）现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理 与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功 能，并可随时诊断设备的运行状态。 4）系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体 系结构，从根本上改变了现有的 dcs 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简 化了控制结构，提高了可靠性和对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作 为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境设计的，可支持双绞线、同轴电 缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，能 采用两线制实现送电与通信，并可满足本征安全防爆要求等。 2.1.5 现场总线控制系统的优越性 现场总线控制系统使工业过程控制发生了很大的变化，它具有如下优越性： 1） 现场总线使得智能变送器中安装的微处理器能够直接与数字控制系统通信， 而不需要 i/o 转换，节约了费用； 2）现场总线可以取代每个传感器到控制器的单独布线，大大减少了连线费用； 3）现场总线可以将一些先进功能，如线性化、工程量转换以及报警处理等赋 予现场仪表，提高了现场仪表的精度和可靠性； 4）现场总线提高了控制精度，这意味着应用数字信号所受到的限制将主要来 自于传感器的精度； 5）现场总线可提供控制装置与传感器、执行器之间的双向通信，方便了操作 员与被控设备之间的交互； 6）现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用成为可能，并将最 终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购置、安装与包修费用； 7）现场总线的开放性将使用户有可能对各仪表厂商的产品任意进行选择，并 组成系统，而不必考虑接口是否匹配的问题。 2.1.6 典型现场总线简介 1）基金会现场总线 基金会现场总线，即 foundation fieldbus,简称 ff，这是在过程自动化领域 得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国 fisher-rousemount 公司为首，联合 foxboro、横河、abb、西门子等 80 家公司制订的 isp 协议和以 honeywell 公司为首，联合欧洲等地的 150 家公司制订的 wordfip 协议。屈于用户 的压力，这两大集团于 1994 年 9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出 南京航空航天大学硕士学位论文 10 国际上统一的现场总线协议。它以 iso/osi 开放系统互连模型为基础，取其物理 层、 数据链路层、 应用层为 ff 通信模型的相应层次， 并在应用层上增加了用户层。 2）lonworks lonworks 是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国 ecelon 公司推出 并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。它采用 了 iso/osi 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变 量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从 300bps 至 15mbps 不等，直接 通信距离可达到 2700m(78kbps，双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、 红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制 网络。 3）profibus profibus 是作为德国国家标准 din 19245 和欧洲标准 pren 50170 的现场总线。 iso/osi 模型也是它的参考模型。 由 profibus dp、 profibus -fms、 profibus-pa 组成了 profibus 系列。dp 型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域 的应用。fms 意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压 开关等一般自动化，而 pa 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从 iec1158-2 标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它 采用了 osi 模型的物理层、数据链路层，由这两部分形成了其标准第一部分的子 集，dp 型隐去了 37 层，而增加了直接数据连接拟合作为用户接口，fms 型只隐 去第 36 层，采用了应用层，作为标准的第二部分。pa 型的标准目前还处于制定 过程之中，其传输技术遵从 iec1158-2 (1 )标准，可实现总线供电与本质安全防 爆。 4）can can 是控制网络 control area network 的简称，最早由德国 bosch 公司推出， 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被 iso 国际标准 组织制订为国际标准，得到了 motorola、intel、philips、siemens、nec 等公司 的支持，已广泛应用在离散控制领域。 5）hart hart 是 highway addressable remote transduer 的缩写。最早由 rosemout 公司开发并得到 80 多家著名仪表公司的支持， 于 1993 年成立了 hart 通信基金会。 这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟信号传 输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡 性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。 6）rs-485 南京航空航天大学硕士学位论文 11 尽管 rs-485 不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继 续沿用这种通讯协议。采用 rs-485 通讯具有设备简单、低成本等优势，仍有一定 的生命力。以 rs-485 为基础的 opto-22 命令集等也在许多系统中得到了广泛的应 用。 2.1.7 现场总线技术展望与发展趋势 发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线 的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程， 这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。现场 总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，笔者 认为应不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。自动化系统的网 络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现 在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一 步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有：智能仪表与 网络设备开发的软硬件技术；组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互 连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软 件技术；现场总线系统集成技术。现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这 一技术领域还刚刚起步，了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行 业的发展，对自动化技术、设备的更新，无疑具有重要的作用。总体说来，自动 化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既 然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但 由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域， 如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。大千世界，众 多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。另外，从以 上介绍也可以看出，几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己 的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。 有理由认为：在从现在起的未来 10 年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一 个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。 现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快 速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业 的发展。 南京航空航天大学硕士学位论文 12 2.2 嵌入式控制系统 2.2.1 嵌入式系统的基本概念 嵌入式系统一般指非 pc 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器 材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统 的应用软件与硬件于一体，类似于 pc 中 bios 的工作方式，具有软件代码小、 高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件 系统等组成，它是可独立工作的“器件”。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有 电器设备，如掌上 pda 、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多 媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自 动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器 / 微处理器、存储器及外设器件和 i/o 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬 盘那样大容量的存储介质，而大多使用 eprom 、 eeprom 或闪存 (flash memory) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件 ( 要求实时和多任务操作 ) 和应用 程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程 与硬件的交互作用。 2.2.2 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备 4 个特点： (1) 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度； (2) 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件诊断； (3) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处 理器； (4) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为 mw 甚至 w 级。 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过 1000 种，流行 的体系结构有 30 多个系列。其中 8051 体系占多半，生产这种单片机的半导体 厂家有 20 多个，共 350 多种衍生产品，仅 philips 就有近 100 种。现在几乎 南京航空航天大学硕士学位论文 13 每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部 门。嵌入式处理器的寻址空间一般从 64kb 到 16mb ，处理速度为 0.12000mips ， 常用封装 8144 个引脚。 根据现状，嵌入式计算机可分成下面几类。 1) 嵌入式微处理器 (embedded microprocessor unit, empu) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于环 境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性 方面的要求较通用的标准微处理器高。但是，嵌入式微处理器在功能方面与标准 的微处理器基本上是一样的。根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装配 在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度减 小系统的体积和功耗。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有 体积小、 重量轻、 成本低、 可靠性高的优点， 但在其电路板上必须包括 rom 、 ram 、 总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。由 嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常 所说的单板机系统。嵌入式处理器目前主要有 am186/88 、386ex 、sc-400 、 power pc、68000 、 mips 、arm 系列等。 2) 嵌入式微控制器 (microcontroller unit, mcu) 嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式 微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集 成了 rom/eprom 、 ram 、总线、总线逻辑、定时 / 计数器、看门狗、 i/o 、 串行口、脉宽调制输出、 a/d 、 d/a 、 flash ram 、 eeprom 等各种必要功能 部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修 改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理 器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以使单片机 最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而 使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种 和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的，而且上述诸多优点决定了微控制器 是嵌入式系统应用的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制， 因此称为微控制器。通常，嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类，比较有代 表性的通用系列包括 8051 、 p51xa 、 mcs-251 、 mcs-96/196/296 、 c166/167 、 68300 等。而比较有代表性的半通用系列，如支持 usb 接口的 mcu 8xc930/931 、 c540 、 c541 ；支持 i2c 、 can 总线、 lcd 等的众多专用 mcu 和兼容系列。目前 mcu 约占嵌入式系统市场份额的 70% 。 南京航空航天大学硕士学位论文 14 3) 嵌入式 dsp 处理器 (embedded digital signal processor, edsp 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂度 可能是 o(nm) 的，甚至是 np 的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。 由于 dsp 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进行数字 信号处理。在数字滤波、 fft 、谱分析等方面， dsp 算法正大量进入嵌入式领 域， dsp 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 dsp 功能，过渡到采用嵌入 式 dsp 处理器。嵌入式 dsp 处理器有两类： (1)dsp 处理器经过单片化、 emc 改造、增加片上外设成为嵌入式 dsp 处理 器，ti 的 tms320c2000 / c5000 等属于此范畴； (2) 在通用单片机或 soc 中增加 dsp 协处理器，例如 intel 的 mcs-296 和 infineon(siemens) 的 tricore 。 另外，在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式 dps 处理器，例如各种带有 智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， adsl 接 入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大， 特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是 dsp 处理器的优势所在。嵌 入式 dsp 处理器比较有代表性的产品是 ti 的 tms320 系列和 motorola 的 dsp56000 系列。 tms320 系列处理器包括用于控制的 c2000 系列、移动通信的 c5000 系列，以及性能更高的 c6000 和 c8000 系列。dsp56000 目前已经发展成 为 dsp56000、dsp56100、dsp56200 和 dsp56300 等几个不同系列的处理器。另 外， philips 公司最近也推出了基于可重置嵌入式 dsp 结构，采用低成本、低 功耗技术制造的 r. e. a. l dsp 处理器，其特点是具备双 harvard 结构和双乘 /累加单元，应用目标是大批量消费类产品。 4) 嵌入式片上系统 (system on chip, soc) 随着 edi 的推广和 vlsi 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以 在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了 soc 技术。各种通用处理器 内核将作为 soc 设计公司的标准库， 和其他许多嵌入式系统外设一样， 成为 vlsi 设计中一种标准的器件，用标准的 vhdl 、 verlog 等硬件语言描述，存储在器 件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导 体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可 集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简单，对于减小整个应用 系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。 soc 可分为通用和专用两类，通用 soc 如 infineon(siemens) 的 tricore 、 motorola 的 m-core ，以及某些 arm 系列器件，如 echelon 和 motorola 联合 研制的 neuron 芯片等； 专用 soc 一般专用于某个或某类系统中， 如 philips 的 南京航空航天大学硕士学位论文 15 smart xa ，它将 xa 单片机内核和支持超过 2048 位复杂 rsa 算法的 ccu 单元 制作在一块硅片上，形成一个可加载 java 或 c 语言的专用 soc ，可用于互联 网安全方面。 2.2.3 嵌入式操